국내 휴대폰 배터리 수명 급증의 비결은 공급망 기술인가, 자체 연구인가?

스마트폰의 화면이 점점 커지면서 배터리 수명이 이보다 더 좋아진 적은 없었던 것 같습니다. 피처폰 시대에 며칠 동안 충전하는 경험은 영원히 사라졌습니다.

그렇다면 기존 피처폰의 화면 사용시간은 하루 1시간 정도였나요? 요즘 스마트폰은 워낙 큰 화면을 가지고 있어서 기능이 너무 많고, 항상 온라인 상태를 유지해야 하는데, 하루에 한 번 충전하면 화면 사용 시간이 최소 5~6시간이면 정말 강력한 것 같아요!

지난 1년 동안 출시된 국내 플래그십 모델을 사용해보신 분들이라면 배터리 수명이 크게 향상되었음을 느끼실 수 있으며, 기본적으로 이틀에 한번 충전이 가능합니다. 휴대폰 배터리는 어떻게 불과 12년 만에 현재 수준으로 발전했을까? 작년에 제조업체가 연속적으로 출시한 Qinghai Lake 배터리, Blue Ocean 배터리, Jinsha River 배터리 및 기타 기술은 무엇입니까? 시점이 왜 이렇게 가깝나요?

니켈에서 리튬으로의 도약

신세대 휴대폰 사용자들은 '배터리가 다 소모되기 전에 충전하면 배터리 용량이 작아진다'는 마법의 이론을 들어보지 못했을 수도 있는데, 이것이 초기 휴대폰이 니켈-카드뮴 배터리의 가장 큰 단점 중 하나는 메모리 효과입니다. 이후 니켈수소전지가 등장하면서 메모리 효과가 크게 향상됐다.

밀레니엄이 시작될 때까지 리튬 이온 배터리의 재료와 제조 기술은 큰 혁신을 겪었습니다. 비용은 크게 낮아지고 에너지 밀도는 높아지며 배터리 메모리 효과 문제가 해결되었습니다. 이러한 개선으로 인해 리튬 이온 배터리는 빠르게 휴대폰 업계의 표준 선택이 되었고 업계 전체가 공식적으로 리튬 배터리 시대에 들어섰습니다.

기존 리튬 배터리는 액체 전해질을 사용하므로 배터리의 모양과 크기가 제한됩니다. 전해액은 배터리 내부에서 안정적으로 유지되면서 누출과 부식을 방지해야 하기 때문에 하드 케이스를 사용하는 경우가 많아 배터리의 모양 설계가 제한됩니다. 또한 액체 전해질은 고온이나 과충전에 노출되면 팽창하거나 연소될 수 있습니다.

나중에 리튬 폴리머 배터리는 리튬 폴리머 배터리로 진화하여 업계에서 널리 사용됩니다. 콜로이드 또는 고체 전해질을 사용하고 알루미늄 필름으로 포장되어 크기와 모양이 더 자유로우며 전자 제품에 유연하게 적응할 수 있습니다. 점점 좁아지는 내부 공간. 배터리의 열적, 기계적 안정성도 향상되어 안전 위험이 줄어듭니다.

휴대폰 배터리 기술이 리튬 폴리머로 발전한 후, 리튬 배터리에서 흑연 음극의 한계가 점차 드러나기 때문에 오랫동안 크게 업그레이드되지 않았습니다.

흑연 음극의 이론적인 비용량은 372mAh/g으로 제한되어 있으며, 리튬 이온의 확산 속도가 낮아 배터리 에너지 밀도 및 고속 충전 성능 향상을 제한합니다.

천연흑연은 소재 자체의 성능적 단점 외에도 재생 불가능한 자원으로서 많은 문제에 직면해 있습니다.

미국지질조사국(USGS)의 데이터에 따르면, 2020년 전 세계 흑연 매장량은 약 3억 톤에 달합니다. 현재 채굴률에 따르면 전 세계 흑연 자원은 2050년에 고갈될 것으로 예상됩니다. 동시에 천연흑연은 천연자원으로서 천연가스와 석유 등 지리적 요인의 영향을 받아 공급이 안정적이지 않습니다.

인조흑연은 천연흑연으로 인한 문제를 어느 정도 피할 수 있지만, 인조흑연의 생산과정에는 많은 양의 에너지가 필요하고, 제대로 처리되지 않으면 심각한 토양과 수질을 발생시킵니다. 오염, 그리고 "환경 친화적"이라는 "새로운 에너지"는 곡물에 어긋납니다.

비즈니스에 가장 중요한 영향을 미치는 요소도 바로 관심사입니다. 현재 생산 공정으로 볼 때, 동일한 순도의 인조 흑연은 천연 흑연보다 가격이 20~30% 정도 더 비쌉니다. 천연흑연 자원이 점점 줄어들면서 천연흑연 가격은 점점 더 비싸질 것입니다.

따라서 흑연 대체 소재를 찾는 것은 리튬 배터리 산업에서 가장 중요한 발전 방향 중 하나가 되었습니다.

차세대 리튬 배터리: 실리콘 탄소 양극

칭하이호 배터리, 블루오션 배터리, 진샤강 배터리 등 프로모션에서 모두 '실리콘 탄소 양극'을 언급했는데, 이는 또한 현재 배터리 문제의 핵심 기술.

흑연의 음극소재 단점이 위에서 언급되었는데, 이를 대체할 수 있는 다른 소재가 있을까요? 네, 바로 실리콘입니다.

양극 소재인 실리콘은 이론상 비용량이 최대 4200mAh/g으로 흑연의 약 11배에 달합니다. 이는 실리콘 양극을 사용하는 리튬 배터리가 이론적으로 에너지 밀도를 크게 높여 배터리 수명을 연장하고 재충전 횟수를 줄일 수 있음을 의미합니다.

그러나 실리콘 소재는 충전 및 방전 중에 최대 300%의 부피 팽창을 겪게 됩니다. 이러한 급격한 부피 변화는 전극 소재의 파열을 유발하여 배터리의 수명을 단축시킵니다.

이 과제를 극복하기 위해 과학자들은 실리콘-탄소 복합 재료를 개발했습니다. 실리콘 나노입자와 탄소재료를 결합함으로써 탄소재료의 안정성을 활용하여 실리콘의 부피 팽창을 억제하고 탄소의 전도성 네트워크를 통해 전체적인 전도성을 향상시킬 수 있습니다.

실리콘-탄소 양극 기술은 배터리 성능을 향상시키는 데 큰 잠재력을 가지고 있지만 공정상의 어려움은 여전히 ​​존재합니다. 실리콘-탄소 양극을 준비하려면 재료의 나노 구조를 정밀하게 제어하고 실리콘과 탄소의 균일한 분포를 보장해야 합니다. 또한, 배터리 제조 과정에서 최초 효율성과 사이클 안정성도 극복해야 할 핵심 과제입니다.

Group14 및 ATL

실제로 실리콘-탄소 양극 배터리 기술은 이미 1970년대에 타당성 검증을 통과했습니다. 지난 1년까지 이를 채택하는 소비자 단말기가 많지 않은 이유는 무엇일까요?

두 회사를 언급해야겠습니다. 하나는 Ningde New Energy와 Dongguan New Energy의 모회사인 잘 알려진 ATL(New Energy)이고, 다른 하나는 스타트업 회사인 Group14입니다.

2023년 2월 28일, Group14는 차세대 스마트폰 등 3C 제품에 전원을 공급하기 위해 ATL에 SCC55 소재를 공급했다고 공식 발표했으며, SCC55 배터리 소재를 사용하는 휴대폰이 곧 출시될 것이라고 밝혔습니다.

1주일 뒤인 3월 6일, Honor는 실리콘 탄소 양극 배터리 기술을 탑재한 세계 최초의 스마트폰인 Magic5 시리즈를 출시했습니다. 업계 매체 TechInsights도 Group14의 배터리 소재 제품 SCC55가 이 기술의 구현을 주도하고 있음을 확인했습니다.

Up의 유명한 메인 마이크로컴퓨터 분해 영상에서도 Qinghai Lake 배터리, Blue Ocean 배터리, Jinshajiang 배터리 등 모두 Xinnengde Company에서 생산하고 ATL 셀을 사용하는 것을 볼 수 있습니다. 이를 통해 그들이 사용하는 실리콘 탄소 양극 기술이 Group 14의 SCC55 소재를 사용하고 있음을 기본적으로 추측할 수 있습니다.

왜 꼭 그룹14의 SCC55여야 하나요? 현재 실리콘-탄소 음극재를 양산할 수 있는 업체가 많지 않고, 그 중 그룹14가 가장 큰 점유율을 차지하고 있기 때문이다.

Star of Tomorrow: SCC55

SCC55를 정식으로 소개하기에 앞서, 그룹14가 어떤 회사인지 먼저 간략하게 알아보겠습니다.

실리콘은 주기율표에서 14위를 차지하는데, 여기서 14족의 "14"가 유래되었습니다. 2015년에 설립된 이 회사는 에너지 저장 문제를 해결하기 위해 리튬이온 배터리를 리튬-실리콘 양극 배터리로 전환하는 데 전념하고 있으며 ATL, SK 머티리얼즈, 포르쉐 및 기타 회사로부터 누적 투자액이 200만 달러 이상에 달합니다. 6억 달러 규모의 리튬배터리 업계 선두주자다.

실리콘 탄소 양극은 국내외 많은 기업이 연구하고 있으며 많은 기업이 "PPT"에서 매우 놀라운 매개변수를 공개하기도 했습니다. 그러나 이들 중 다수는 여전히 대량 생산 요구 사항을 충족하지 못하는 실험실 또는 이론적인 상태에 남아 있습니다.

그룹14는 거의 최초로 대규모 대량생산을 달성했으며, 적용 분야에서도 독보적인 장점을 갖고 있습니다.

SCC55의 독창성은 구조적 디자인에 있습니다. 이 물질은 탄소 지지체에 내장된 실리콘 나노입자로 구성됩니다. 이러한 구조를 통해 실리콘 입자가 전해질과 완전히 접촉할 수 있어 배터리의 충방전 효율이 향상된다. 또한, 탄소 지지체는 충전 및 방전 중에 실리콘 입자가 팽창하거나 수축하는 것을 방지하는 기계적 지지력을 제공합니다.

따라서 SCC55 실리콘 양극 배터리의 에너지 밀도는 기존 리튬 이온 배터리보다 50% 더 높으며 충전 속도도 더 빨라 이론적으로 몇 분 밖에 걸리지 않습니다.

SCC55 소재는 버튼형 배터리부터 소프트팩 배터리까지 생산에 투입하기 쉽습니다. 제조업체는 공정을 재조정하지 않고도 모든 리튬이온 배터리 생산 라인, 슈퍼 공장 또는 배터리 설계에 SCC55를 원활하게 투입할 수 있습니다.

콘셉트에 비해 대규모 대량생산이 수익성의 기반입니다.

Group14의 2단계 프로세스는 스케일링을 간단하게 만듭니다. 먼저 탄소를 합성하여 탄소 비계를 만든 다음 비계 내부에 실리콘을 만들고 내부 공극을 조정하여 궁극적으로 놀라운 SCC55를 형성합니다. 특정 프로세스 세부 사항은 이미 Group14의 글로벌 특허에 적용되었으며 비즈니스 제국의 초석이 되었습니다.

Group14는 또한 필요할 때마다 모든 규모의 공장(BAM 공장)을 건설할 수 있는 쉽게 복제 가능한 프로세스를 설계했습니다. 각 모듈은 독립적이며 연간 10GWh의 재료를 생산할 수 있습니다. 필요에 따라 원하는 수의 모듈을 함께 결합하여 모든 규모의 BAM 공장을 구성할 수도 있습니다.

생산 능력 측면에서 볼 때, 미국 워싱턴 주 우드인빌에 있는 Group14의 BAM-1 공장은 현재 65개 이상의 고객에게 제품을 공급하고 있으며, 이는 전 세계 배터리 생산 시장의 95%를 차지하는 BAM 공장도 아시아, 유럽 및 기타 지역에 배치되고 있습니다. 지역. 확실한 것은 BAM-1 공장의 생산량이 10GWh를 넘어섰고, 이는 약 10만~20만대의 전기차 수요를 충족할 수 있다는 점이다.

순조롭게 생산에 들어가면 워싱턴 BAM-2 공장의 생산능력은 BAM-1의 2배가 되며, 2024년에는 세계 최대의 첨단 실리콘 양극 배터리 기술 공장이 될 것입니다.

마지막에 작성

업계 사람들은 종종 비웃곤 합니다. 공급망 기술이 전부가 아닌데 자기 연구는 어떻습니까? 결과로 볼 때 이들 업체의 실리콘카본 음극셀은 모두 ATL 제품으로 SCC55 소재일 가능성이 가장 높은 것으로 보인다.

그러나 실제로 공급망과 제조업체 간의 커뮤니케이션은 일방적이지 않습니다. 많은 재료와 기술의 적용은 종종 양 당사자의 공동 노력의 결과입니다. 비유하자면 공급망 기술은 재료와 같습니다. 최종 제품은 여전히 ​​요리사의 요리 기술과 조미료에 따라 달라집니다.

이 기사에서 논의한 배터리 수명을 예로 들면, 실리콘-탄소 양극 배터리의 대량 생산 적용이 핵심입니다. 실리콘-탄소 양극의 이론적 에너지 밀도는 기존 흑연 양극의 에너지 밀도보다 훨씬 높아 배터리 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그룹14의 SCC55 소재는 현재 가장 대표적인 실리콘-탄소 음극재 중 하나로 우수한 성능과 양산 능력을 갖추고 있다.

동시에 다양한 휴대폰 제조업체에서도 배터리 패키징 프로세스, 전원 관리, 시스템 스케줄링 등을 최적화하여 마침내 소비자가 배터리 수명이 뛰어난 휴대폰을 얻을 수 있게 되었습니다.

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